这篇文章将解释步进电机和伺服电机系统之间的区别。
我们首先比较两种电机技术。
步进电机 vs. 伺服电机
优点:
步进电机 | 伺服电机 |
---|---|
低速扭矩表现良好 | 高速扭矩强 |
无需调试,无“抖动” | 具备峰值扭矩 |
体积小巧 | 可持续运行 |
成本较低 | 功能强大 |
缺点:
步进电机 | 伺服电机 |
---|---|
高速扭矩较低 | 需要调试 |
负载周期有限 | 需要反馈才能运行 |
无法提供峰值扭矩 | 存在“抖动”现象 |
大多为开环控制 | 成本较高 |
电机设计
步进电机和伺服电机的转子都使用永磁体,并且都需要驱动电路来工作。然而,它们的设计有所不同,这些设计差异导致
它们的性能存在差别。
步进电机的设计
步进电机的设计采用稀土永磁体,并被夹在两个带齿的转子杯之间。转子杯上的齿被轴向磁化的永磁体磁化,从而成为磁极。
转子上的齿数通常为 50 或 100 个。
两个转子杯的齿略微错开半个齿距,每个齿都会成为步进电机的一个磁极。
伺服电机的设计
伺服电机使用径向磁化的转子,而不是齿状设计,因此体积更小。此外,伺服系统必须配备编码器以减少因磁极较少而导致的误差。
典型的伺服电机采用三相定子(U、V、W),转子一般有 28 个磁极。伺服电机的转子由多个带有永磁体的磁极段组成,而步进电机
的转子是轴向磁化的。
停止精度
在定位应用中,电机的停止精度至关重要。步进电机和伺服电机都可以实现高精度停止,但方式不同。
步进电机的精度取决于其电气绕组和转子齿的设计,而伺服电机的精度取决于其机械结构、编码器质量和控制算法。
影响停止精度的因素包括:绕组特性、转子齿或磁极的数量、装配精度、编码器分辨率以及控制算法。
步进电机依赖机械定位,而伺服电机主要通过电控方式进行定位。
高速性能
伺服电机的优势在于其高速运行能力。伺服电机在相同转速下可以提供更大的扭矩,而步进电机由于极数较多和绕组电感的影响,
在高速时容易失去扭矩。
步进电机通常需要 200 个“步进”才能完成一圈,而伺服电机可能仅需 12 个“步进”。因此,在高速运行时,步进电机的驱动器
可能无法充分激励绕组,导致电流和扭矩下降。
扭矩-速度曲线对比
步进电机 适用于低速运行,可快速定位,并且响应迅速,能够在无编码器的情况下产生保持扭矩。但在高速运行时,由于绕组
电感较高,扭矩会下降。
伺服电机 低速时起始扭矩较小,但可在整个速度范围内保持较高的扭矩。
闭环反馈
伺服电机必须在闭环模式下运行,而步进电机通常使用开环控制。
伺服系统依赖反馈来控制位置、速度或扭矩,而步进电机通常不会使用反馈。步进电机可以接受指令并按照设定步数旋转,
但在超载情况下可能会失步。
为了维持同步,伺服系统需要更复杂的驱动控制,包括:
脉冲发生器
相序控制器
FET(场效应管)
速度放大器
位置放大器
误差检测计数器
这些元件共同构成 PID(比例-积分-微分)控制系统,以实时校正误差。因此,伺服电机的成本更高,且需要额外的处理时间。
惯性负载能力对比
步进电机 可承受约 10 倍于转子惯量的负载
伺服电机 可承受约 100 倍于转子惯量的负载
闭环步进电机 约可承受 30 倍于转子惯量的负载
由于步进电机通常不需要反馈系统,因此其成本较低。而伺服电机则依赖闭环控制,需要额外的组件。
效率对比
步进电机使用斩波驱动器,无论负载如何,都保持恒定电流供应。其占空比受温度限制。
伺服电机能够智能地控制电流,仅使用所需的电流,因此功耗更低。
步进电机在零速时能提供更好的保持扭矩,但伺服电机的保持扭矩更大。
高效的电流控制带来的优势
降低噪音和振动
适当选择电机尺寸可以减少步进电机的振动
伺服电机如果未正确调试,则可能会“抖动”
伺服电机的闭环控制可优化电流管理,提高效率,并降低电机温度,延长使用寿命
步进电机需要限制负载周期,以避免温度过高影响轴承润滑脂的寿命。而伺服电机因其电流控制更高效,能降低能耗、延长寿命,
并在某些情况下减少噪音。
总结:
步进电机 适用于低速、高精度应用,成本较低,但高速性能有限,适用于中小型自动化设备。
伺服电机 适用于高速、高动态响应的应用,能提供更大的扭矩,但成本更高,适用于高端工业设备和自动化生产线。